Principaux paramètres influençant l’élévation de température

Nous reprenons pour cela l’exemple de la machine de propulsion (machine n°1) du paragraphe 2.3.2.2  Influence de l’isolant

Le tableau de répartition des températures nous permet de vérifier que le principal paramètre influençant la valeur de la température dans les bobinages est la nature et la quantité de matériau isolant qui, d’une part, imprègne le spires de bobinage dans les encoches et, d’autre part, assure la protection du stator contre la corrosion. La qualité des contacts surfaciques entre les matériaux de nature différente intervient également mais dans une moindre mesure.

 Effets bénéfiques de l’eau

Le premier constat est que, quel que soit la vitesse d’eau considérée, l’efficacité des échanges convectifs évolue peu. Le graphique ci-dessous (figure 2.4.6.A) résume ce point. On y fait varier la vitesse nominale de l’eau (c'est- à-dire celle du navire) tout en conservant une même vitesse de rotation. La vitesse d’eau varie entre Vo=1 et

12m/s. Ce point est évoqué dans [Kro02] où des travaux semblables sont réalisés sur une machine de propulsion de type rim-driven mais sans prise en compte de l’entrefer. Il est mis en évidence que les variations de la vitesse d’eau ou du coefficient de convection n’influent que très peu sur l’efficacité des transferts thermiques par convection. Ces derniers sont en effet jugés très bons quelles que soient les conditions de fonctionnement. Note : nous n’avons pas cherché à tracer l’évolution de la température pour des vitesse d’eau trop faibles car les hypothèses de régime turbulent ne sont alors plus satisfaites. Pour ces cas particuliers néanmoins réalistes (c’est le cas des remorqueurs qui fournissent de forts couples pour de faibles vitessse) les modèles analytiques devront être adaptés à des régimes d’écoulement laminaires.

Le second point que nous avons cherché à quantifier est la contribution de l’eau au refroidissement de la machine. Pour cela, nous avons remplacé l’eau par de l’air (les différents constantes physiques de l’air sont rappelées en Annexe F). Ainsi, en reprenant l’exemple de la machine n°1, mais cette fois refroidie à l’air, la température moyenne des conducteurs est alors évaluée à 228°C pour une vitesse d’air de 4m/s et une

température de 30°C. Cette valeur est à comparer aux 98°C obtenus avec une eau à 4m/s. Notons une sensibilité accrue à la vitesse du fluide puisque la température tombe à 167°C pour une vitesse de fluide de 11m/s.

90 92 94 96 98 100 102 0 2 4 6 8 10 12 Vitesse d'eau Vo (m/s) T e m p é ra tu re d e s c o n d u c te u rs ( °C )

Figure 2.4.6.A : Evolution de la température moyenne des conducteurs en fonction de la vitesse d’eau (Machine de propulsion n°1)

On comprend donc que la modélisation des effets convectifs est indispensable car l’eau contribue de manière significative au refroidissement des moteurs. Par contre, on sent bien qu’il ne sera pas nécessaire de s’attarder à modéliser trop finement ces phénomènes étant donné la très bonne efficacité du refroidissement de l’eau quelles que soient les conditions considérées.

 Contribution au refroidissement de l’entrefer immergé

Les résultats du tableau de répartition des flux thermiques de la page précédente nous montrent que, pour cet exemple, sur les 420 W de pertes produites par une portion dent+encoche, 85 W sont théoriquement évacués par l’entrefer, soit environ 20%. Bien entendu, cette proportion dépendra de l’épaisseur d’isolant appliquée sur l’alésage du stator.

Si l’épaisseur d’isolant est supposée infinie (cela revient à modéliser une machine sans dissipation par l’entrefer), alors on obtient une température moyenne de conducteur de 148°C contre 98°C si eiso=0.003m. La contribution

de l’entrefer immergé au refroidissement de la machine est donc, en théorie, non négligeable et sa modélisation ne pourra être négligée au stade d’un pré dimensionnement (contrairement à ce qui est souvent fait pour des machines dans l’air) au risque d’éliminer des solutions thermiquement viables.

Par ailleurs, le graphique ci-dessous (figure 2.4.6.B) présente l’évolution de la proportion de chaleur |φγ1+φγ2|/(PF+PJ)évacuée par l’entrefer en fonction de l’épaisseur eiso variant entre 0 et 0.010 m. On représente

également l’évolution de la température moyenne Tc relativement à la température de référence Tref=148°C. Les

paramètres concernant l’eau sont fixés comme suit : Vo=4m/s, kVa=0,5 et Teau=30°C. L’entrefer mécanique est pris

égal à emeca=0.014m quelle que soit l’épaisseur d’isolant utilisée.

Note : les pertes dans la machine sont maintenues intentionnellement constantes et figées aux valeurs obtenues au paragraphe 2.4.3. En réalité, l’épaisseur d’isolant utilisée eiso influe sur l’entrefer e (qui représente la distance

entre la surface des aimants et l’alésage du stator) puisque l’on suppose l’entrefer mécanique emeca constant

quelle que soit la valeur de eiso. Les pertes devraient donc augmenter avec l’épaisseur d’isolant. Cependant, nous

souhaitons découpler ces deux effets. Les approches couplées (ici électromagnétique/thermique) ne seront prises en compte qu’au chapitre suivant.

Pour cet exemple, la part de chaleur évacuée par l’entrefer peut atteindre 50% dans le cas idéal (du point de vue thermique) où l’isolant a une épaisseur nulle. A l’inverse, elle devrait tomber à 10% environ pour une épaisseur de 1cm (ce qui devrait représenter une limite haute réaliste).

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Epaisseur d'isolant eiso (mm)

Figure 2.4.6.B : Evolution de la température moyenne relative Tc/Tref des conducteurs (courbe croissante) et de la proportion

de chaleur |φγ1+φγ2|/(Pfer+PJ) évacuée par l’entrefer en fonction de l’épaisseur d’isolant (machine de propulsion n°1)

Ce dernier point nous permet de poser une contrainte supplémentaire au modèle. En effet, du fait de contraintes évidentes de conception, l’épaisseur d’isolant utilisée ne pourra descendre en dessous, et éventuellement monter au dessus, d’une certaine valeur. Ainsi

max

min iso iso

iso e e

e ≤ ≤ (58.24)

En dernier lieu, nous avons souhaité quantifier l’importance prise par l’épaisseur de l’entrefer mécanique emeca

dans le refroidissement. Pour cela, nous avons suivi l’évolution, en fonction de l’épaisseur emeca, de la

température moyenne des conducteurs. De façon réaliste, on choisit de faire varier l’épaisseur emeca entre 0.003

et 0.020m. Par ailleurs Vo=4m/s, kVa=0,5, Teau=30°C et eiso=0.003m. Les pertes dans la machine sont maintenues

constantes. Les résultats sont concluants puisque la température des conducteurs évolue très peu et l’efficacité du refroidissement est bonne quelle que soit l’épaisseur d’entrefer comprise entre 0.003 et 0.020m.

Dans la même logique, des simulations pour différentes combinaisons de vitesse axiale d’eau Va et vitesse de

rotation Ω=2πn ont été réalisées. Les conclusions sont les mêmes, à savoir que l’efficacité du refroidissement reste très bonne.

On retiendra donc que la présence d’eau dans l’entrefer devrait contribuer de manière non négligeable au refroidissement de la machine et ce pour une large gamme de vitesse d’eau, de vitesse de rotation et d’épaisseur d’entrefer. Le principal facteur limitant ces transferts sera l’épaisseur d’isolant contre la corrosion appliqué sur l’alésage du stator. Cependant, retenons que la modélisation des échanges convectifs n’est qu’approximative : les conditions de fonctionnement de la présente étude sont en effet différentes de celles ayant servi à l’élaboration de l’ensemble des relations empiriques utilisées. Des résultats issus d’essais expérimentaux seront donc indispensables afin de confirmer l’ensemble des ces conclusions.

Température moyenne relative

Chapitre 3

3

CONCEPTION MULTI PHYSIQUE D’ENSEMBLES

HÉLICE / MACHINE A AIMANTS PERMANENTS

ÉTUDES DE CAS

3.1 Introduction

3.1.1 Une approche multi-physique